In dieser Arbeit betrachte ich Vielteilchen-Quantensysteme unter vier verschiedenen, jedoch nicht strikt trennbaren, Gesichtspunkten: Theorie der Green'schen Funktionen im Gleich- und Nichtgleichgewicht, exakte Diagonalisierung und verwandte Methoden aus der Quantenchemie, und dem klassische Ansätze mit den dazugehörigen Molekularfeldtheorien. Gleichgewichtsmethoden erlauben einen Einblick in die Nichtsgleichtsdynamik der Anregungen in Fermiflüssigkeiten, während der Zerfall von Anregungen in molekularen Systemen mithilfe von Quantenchemie beschrieben wird. Auf der anderen Seite lassen sich Näherungen, die Erhaltungssätze und positive Definitheit erfüllen, durch den Nichtgleichgewichtsformalismus der Green'schen Funktionen konstruieren. Für größere Systeme wird die semiklassische Reaktion auf das Einwirken elektromagnetischer Felder von den entsprechenden mikroskopischen Ausdrücken für die linearen und nichtlinearen Suszeptibilitäten hergeleitet.
In dieser Arbeit betrachte ich Vielteilchen-Quantensysteme unter vier verschiedenen, jedoch nicht strikt trennbaren, Gesichtspunkten: Theorie der Green'schen Funktionen im Gleich- und Nichtgleichgewicht, exakte Diagonalisierung und verwandte Methoden aus der Quantenchemie, und dem klassische Ansätze mit den dazugehörigen Molekularfeldtheorien. Gleichgewichtsmethoden erlauben einen Einblick in die Nichtsgleichtsdynamik der Anregungen in Fermiflüssigkeiten, während der Zerfall von Anregungen in molekularen Systemen mithilfe von Quantenchemie beschrieben wird. Auf der anderen Seite lassen sich Näherungen, die Erhaltungssätze und positive Definitheit erfüllen, durch den Nichtgleichgewichtsformalismus der Green'schen Funktionen konstruieren. Für größere Systeme wird die semiklassische Reaktion auf das Einwirken elektromagnetischer Felder von den entsprechenden mikroskopischen Ausdrücken für die linearen und nichtlinearen Suszeptibilitäten hergeleitet.
Für lokale Wechselwirkungen zwischen asymptotisch freien Teilchen bietet die QED eine äußerst exakte Beschreibung. Anders sieht es jedoch für gebundene Teilchen aus, wo die Teilchen "kontinuierlich" wechselwirken. Für zwei Teilchen existiert zwar die Bethe-Salpeter-Gleichung, die jedoch diverse Interpretationsprobleme aufwirft; für mehr als zwei gebundene Teilchen gibt es noch keine ausgereiften Ansätze. Für gebundene Mehrteilchenprobleme werden deshalb Energiewerte gewöhnlich zuerst semiklassisch berechnet und dann die entsprechenden QED-Korrekturen hinzu addiert. In der vorliegenden Dissertation werden gebundene Mehrteilchenprobleme auf der Grundlage der Relativistischen Schrödinger Theorie (RST) untersucht. Hierbei handelt es sich um einen alternativen fluiddynamischen Ansatz, der auf einer grundlegend anderen Struktur als die konventionelle Quantenmechanik basiert, indem nämlich zur Beschreibung von Mehrteilchenzuständen keine Produktstruktur sondern eine Summenstruktur (Whitney-Summe) verwendet wird. Zudem wird im Rahmen der RST von einer erweiterten Strukturgruppe Gebrauch gemacht, die es ermöglicht, die Austauschwechselwirkungen zwischen identischen Teilchen und die elektromagnetischen Wechselwirkungen auf dieselbe Weise zu behandeln. Dieser Ansatz ermöglicht es auch, QED-analoge Korrekturen, wie z.B. der Selbstwechselwirkung, auf nicht-störungstheoretische Weise in die Theorie zu integrieren. In der hier vorliegenden Arbeit wird nun der allgemeine RST-Ansatz auf den Fall heliumähnlicher Ionen spezialisiert. Es zeigt sich dabei, dass für den semiklassischen Fall ohne Selbstwechselwirkungskorrekturen die mithilfe der RST gewonnenen Wechselwirkungs- und Ionisierungsenergien in derselben Größenordnung liegen wie konventionelle Rechnungen. Die Einbeziehung von Selbstwechselwirkungskorrekturen erfolgt im konventionellen Fall durch Addition dieser Korrekturen zu den semiklassischen Berechnungen, wohingegen bei der RST die Theorie selbst eine Möglichkeit bietet, die Selbstwechselwirkungen exakt zu behandeln, indem man den RST-Selbstwechselwirkungsparameter ungleich Null wählt. Vergleicht man nun die konventionellen Berechnungen und die analogen RST-Ergebnisse mit den experimentellen Daten, so zeigt es sich, dass die RST-Voraussagen für die Ionisierungs-, bzw. Wechselwirkungsenergien näher an den experimentellen Daten liegen als die konventionellen Berechnungen. Die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten wird bei wachsender Kernladungszahl (Z>30) immer besser, wenn man den Selbstwechselwirkungsparameter der RST bei einer möglichst hohen Kernladungszahl festlegt (z.B. Wismuth, Z=83).
Halbleiter-Quantenpunkte verkörpern zahlreiche positive Eigenschaften, die sich in der Quantenoptik von Atomen als sehr nützlich erwiesen haben, lassen sich darüber hinaus jedoch auch äuÿerst gut in Festkörper-basierte technologische Anwendungen integrieren.Diese Nanostrukturen eignen sich daher äuÿerst gut für zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung, der Quantenkryptographie und für die Realisierung neuartiger Lichtquellen.Bei so gut wie allen dieser Technologien ist die Wechselwirkung mit Licht von zentraler Bedeutung, weshalb die vielfältigen Eigenschaften von optisch getriebenen Quantenpunkten heutzutage in mehreren hochaktuellen Forschungsgebieten studiert werden.Eine der gröÿten Herausforderungen aus theoretischer Sicht ist die korrekte Behandlung der Kopplung von Quantenpunkten an ihre Festkörperumgebung, die einen stark ausgeprägten Einuss auf die getriebene Systemdynamik haben kann.Von spezieller Bedeutung sind hierbei Wechselwirkungen mit den Gitterschwingungen des umgebenden Halbleiterkristalls, da diese immer auftreten und häug zu einer starken Beschränkung der maximal möglichen Kohärenzzeiten führt.Die vorliegende kumulative Dissertation liefert einen weiteren Beitrag zur aktuellen Diskussion des Phononeinusses auf die getriebene Quantenpunktdynamik. Im engeren Sinne wird eine aufwändig ausgearbeitete Echtzeit-Pfadintegralmethode, die eine numerisch exakte Simulation der getriebenen Quantenpunktdynamik unter Einussnahme der rein dephasierenden Kopplung an longitudinal akustische Phononen ermöglicht, weiter erforscht.Als eines der Hauptresultate dieser Arbeit wird der bestehende Pfadintegralzugang so verallgemeinert, dass eine homogene Behandlung von Hamiltonscher und nicht-Hamiltonscher Dynamik ermöglicht wird.Dadurch können die Eekte der Phononkopplung und zusätzliche Prozesse, die in ausreichender Weise durch phänomenologische Ratengleichungen beschrieben werden können, simultan berücksichtigt werden.Dies stellt einen erheblichen methodischen Fortschritt dar, der teilweise auch auf verwandte Systeme, die mit ähnlichen Methoden behandelt werden, übertragbar ist.Die hier gefundene Verallgemeinerung behebt eine starke bestehende Einschränkung der Anwendbarkeit der Methode, da einerseits eine Vielzahl von wichtigen dissipativen Vorgängen, wie z.B. der strahlende Zerfall angeregter Quantenpunktzustände oder Photonverluste gekoppelter Quantenpunkt-Mikroresonator Systeme, bisher nicht mit der Pfadintegralmethode behandelt werden konnten.Andererseits beruhen viele alternative Simulationstechniken, die diese Prozesse einschlieÿen könnten, auf Näherungen der optischen Kopplung oder der Wechselwirkung mit der Phononumgebung und sind daher nur in beschränkten Parameterbereichen gültig.Der hier vorgestellte erweiterte Pfadintegralformalismus vereint die exakte Behandlung der nicht-Markovschen Vielteilchen-Phononkopplung optisch getriebener Quanteniii .
Im ersten Abschnitt dieser Arbeit versuchen wir, die algebraische Struktur, welche im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik unter Verwendung des Influenzfunktionals auftritt, herauszuarbeiten. Dies erlaubt uns einen tieferen Einblick in ansonsten unübersichtliche und langwierige Rechenschritte, speziell im Realzeitformalismus, und ermöglicht uns eine leichtere Identifikation der dabei auftretenden Terme und deren Ursprung aus dem zugrunde liegenden Modell als auch deren physikalische Bedeutung. Die verwendeten Methoden haben wir soweit als möglich in konsistenter und anschaulicher Form eingeführt, so dass diese Arbeit ohne spezielle Kenntnis des Gebietes der dissipativen Quantenmechanik gelesen werden kann. Besonderen Wert haben wir auf den Übergang von der quantenmechanischen auf die klassische Beschreibung von dissipativen Vorgängen gelegt, da ein Verständnis dieses Übergangs eine tiefere Einsicht in den Messprozess liefert. In der selben Weise ist damit auch der Übergang von der mikroskopischen - durch die Quantenmechanik beschriebenen - Welt in die makroskopische Welt verbunden, welche den Gesetzen der klassischen Mechanik folgt. Zusätzlich zeigen wir, wie die Resultate der Influenzfunktionalmethode stochastisch interpretiert werden können, was einen leichteren Vergleich mit der bekannten quantenmechanischen Zeitentwicklung durch die Schrödingergleichung erlaubt. Im weiteren betrachten wir die sogenannte Tight-Binding Näherung von Modellen, bei welchen sich der Hamiltonraum für die Systembeschreibung im wesentlichen durch diskrete Eigenzustände des Ortsoperators ausdrücken lässt und Übergänge zwischen diesen Zuständen unterdrückt sind, wodurch eine Propagation entweder durch ein Tunneln oder durch thermische Anregung erfolgt. Im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik bringt diese Methode eine immense Vereinfachung in der effektiven Beschreibung des Systems, da Anstelle einer ganzen Historie von Systempfaden nur noch die Übergangszeiten mit den entsprechenden Übergängen berücksichtigt werden müssen. Im Bild des Pfadintegralformalismus bedeutet dies, dass Anstelle des Integrals über alle Systempfade ein Produkt von Integrationen über alle möglichen Sprungzeiten mit Sprunggewichten entsprechend des Übergangs rückt, welches analytisch als auch numerisch wesentlich einfacher handzuhaben ist. Innerhalb dieser Näherung wurden dadurch in der Vergangenheit viele beeindruckende analytische Resultate abgeleitet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Abbildung und dem Zusammenhang von dissipativen Modellen mit Feldmodellen aus der Quantenfeldtheorie und im besonderen der Feldtheorie statistischer Systeme. Der Reiz dieser Abbildungen liegt besonders darin, dass in den letztgenannten Gebieten schon seit Jahrzehnten sehr intensiv die grundlegenden Modelle bearbeitet wurden und vor allem auch nach neuen Methoden gesucht und Forschung dafür betrieben wurde und noch immer Gegenstand der aktuellen Forschung darstellt. Als Beispiel sei in zwei Dimensionen die Invarianz unter konformen Abbildungen genannt, welche immer dann Anwendung findet, wenn Systeme nur lokal wechselwirken und eine Invarianz unter lokaler Umskalierung der Felder zeigen. Bei statistischen Systemen mit lokaler Wechselwirkung zeigt sich dieses Verhalten immer beim Erreichen eines kritischen Punktes, da hier per Definition keine Längenskala ausgezeichnet ist. In zwei Dimensionen führt dies zu einer immensen Einschränkung der möglichen Form von Korrelationsfunktionen und hat zu dem eigenständigen Gebiet der Konformen Feldtheorie geführt, da konforme Abbildungen per Definition die lokale Struktur erhalten (Winkeltreue) und lokal nur zu einer Unskalierung führen. Während in D>2 Dimensionen nur endlich viele Generatoren für konforme Abbildungen existieren, ist deren Anzahl in 2 Dimensionen unendlich. Dies resultiert in einer unendlichen Anzahl von lokalen Erhaltungsgrößen mit den entsprechenden Folgen. Während solche Techniken sehr schnell unanschaulich werden, erlaubt die Abbildung auf dissipative Modelle hier oftmals eine sehr anschauliche Interpretation.
Jüngste experimentelle Fortschritte erlauben die Beobachtung von elektronischen Relaxationsprozessen in Festkörpern in Echtzeit. Nach der optischen Anregung eines Systems relaxiert dieses in einen Gleichgewichtszustand. Die Dynamik des Systems während des Relaxationsprozesses ist von den vorherrschenden mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Konstituenten des Systems abhängig. Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Gitterschwingungen - den Phononen - ist allgegenwärtig in Festkörpern, weshalb sie einer der wichtigsten Relaxationskanäle ist. Eine analytische Beschreibung der Relaxationsdynamik ist schwierig, und nur wenige exakte Lösungen existieren, selbst für die Beschreibung von Gleichgewichtsproblemen. Prinzipiell sind numerische Methoden in der Lage, eine Lösung sowohl für Gleichgewichts- als auch für Nichtgleichgewichtssituationen zu finden. Methoden wie die exakte Diagonalisierung oder die Dichtematrix-Renormierungsgruppenmethode, die mit Wellenfunktionen arbeiten, skalieren jedoch ungünstig mit der Dimension des lokalen Hilbertraumes. Dies ist besonders problematisch bei der Studie von Elektron-Phonon gekoppelten Systemen, bei der im allgemeinen besonders große lokale Basen benötigt werden. Für Grundzustandsprobleme gibt es zwei unabhängige Vorgehensweisen, um dem entgegenzuwirken: die Ein-Gitterplatz Dichtematrix Renormierungsgruppenmethode, die linear in der lokalen Dimension skaliert, sowie die Implementierung eines Schemas, das die Dimension der lokalen Basis verringert, indem es im Eigenraum der lokalen reduzierten Dichtematrix trunkiert was auf sogenannte optimale Moden führt. In dieser Dissertation kombinieren wir diese Strategien zu einer Methode, die linear in der Dimension der optimierten lokalen Basis anstelle der vollen lokalen Dimension skaliert. Wir demonstrieren das verbesserte Skalierungsverhalten der Methode anhand des Holstein-Polaron und des halb gefüllten Hubbard-Holstein Modells. Zudem beschreiben wir die Implementierung einer optimalen Phononbasis in den Time-Evolving Block Decimation Algorithmus, um das Skalierungsverhalten dieser Methode mit der lokalen Dimension zu verbessern. Für die Simulation des Polaron-Problems auf einer unendlich langen Kette hat sich die Krylovraum Zeitentwicklung in einem limitierten funktionalen Raum, als effizient herausgestellt. Wir adaptieren diese Methode für periodische Randbedingungen und endliche Systemgröße. Außerdem betrachten wir die Eigenschaften der lokalen reduzierten Dichtematrix als Funktion der Modellparameter und in Nichtgleichgewichtssituationen in drei Modellen: dem Bose-Bose Resonanz-Modell, dem Holstein Modell und dem Hubbard-Holstein Modell. Für fermionische und Spin-Modelle weiß man, dass die lokale von Neumann Entropie ein Indikator für Phasenübergänge ist. Für das Bose-Bose Resonanzmodell finden wir, dass die beiden Größen, lokale von Neumann Entropie und Eigenzustände der lokalen Dichtematrix, besondere Eigenschaften an Phasenübergängen zeigen. Wir finden außerdem, dass die Struktur der optimalen Moden sich als Funktion der Zeit in der Nichtgleichgewichtsdynamik ändert. Desweiteren beschäftigen wir uns mit der Relaxationsdynamik eines einzigen Elektrons gekoppelt an Holstein-Phononen. Im adiabatischen Fall finden wir einen Netto-Energiefluss von dem Elektron zu den Phononen und wir leiten einen analytischen Ausdruck für die Relaxationszeit des Elektrons im schwach wechselwirkenden, adiabatischen Fall her. Ein weiteres Hauptthema dieser Dissertation ist die Thermalisierung in geschlossenen Quanten- Vielteilchensystemen. Unser erstes Beispiel ist der Zerfall der Néel Ordnung unter Zeitentwicklung im eindimensionalen Fermi-Hubbard Hamiltonian. Wir finden, dass die Relaxation spin-verwandter Observablen von Spin-Anregungen kontrolliert werden und dass die Doppelbesetzung nicht im Sinne der Eigenzustands-Thermalisierungs-Hypothese thermalisiert, da das System nicht ergodisch ist. Als zweites Beispiel behandeln wir Vielteilchenlokalisierung in einem eindimensionalen System von attraktiv wechselwirkenden Fermionen, das im Grundzustandsphasendiagramm auch mit Unordnung eine delokalisierte Phase zeigt. Wir untersuchen diesen Phasenübergang mit modernen Hilfsmitteln, die auf den Verschränkungseigenschaften und der Existenz von Quasiteilchen in lokalisierten Phasen beruhen.
In dieser Arbeit werden \nTransportprozesse in Quanten-Spin-Systemen untersucht. Zuerst \nwird der stationäre Zustand von Spin-Ketten zwischen 2 \nWärmebädern unterschiedlicher Temperatur betrachtet. Für das XY \nModell ergibt sich eine im Innern der Kette räumlich konstante \nEnergie. Der Energiestrom ist für lange Ketten asymptotisch \nkonstant, gehorcht also nicht dem Fourierschen Gesetz. Durch \nAddition von unabhängigen weißen Rausch-Prozessen zum Magnetfeld, \ndas auf die einzelnen Spins wirkt, ergibt sich ein stochastisches \nXY Modell mit einer endlichen Wärmeleitfähigkeit und einem \nEnergiegefälle vom warmen zum kalten Reservoir. Dann wird die \nDynamik von unendlichen Spin-Systemen mit Hilfe der \nhydrodynamischen Skalierung untersucht. Für allgemeine Systeme \ndieser Art ergibt sich unter plausiblen Annahmen heuristisch ein \nmikroskopischer Ausdruck für die Wärmeleitfähigkeit (Green-Kubo- \nFormel). Für das stochastische XY Modell wird rigoros eine \nDiffusionsgleichung für die Magnetisierung hergeleitet.
In meiner Doktorarbeit wird das Problem der Zeitirreversibilität in quantenmechanischen Systemen anhand von offenen Quantensystemen untersucht. Nach einer kurzen Zusamenfassung der Resultate im Bereich der klassischen Physik, welche zur Boltzmanngleichung führen, wird die Theorie der offenen Quantensysteme vorgestellt. Der erste Hauptteil der Arbeit widmet sich der mathematisch rigorosen Untersuchung eines Modells von Caldeira und Legett. Dieses wohl einfachste Modell eines offenen Quantensystems behandelt ein Teilchen, welches linear an ein aus harmonischen Oszillatoren bestehendes Reservoir gekoppelt ist. Es wird angenommen, daß sich das Reservoir ursprünglich im thermischen Gleichgewicht befindet. Da der genaue Zustand des Reservoir eigentlich nicht von Interesse ist, werden die entsprechenden Koordinaten durch Spurbildung reduziert. Anschließend führen Caldeira und Legett verschiedene Grenzübergänge durch, um schließlich im Limes eine Fokker-Planck Gleichung herzuleiten. Das Hauptziel unserer Untersuchung besteht darin, sowohl physikalisch als auch mathematisch den Mechanismus, der Dissipativität in das Modell bringt, exakt zu verstehen. Dabei stellt sich heraus, daß der ursprüngliche Zugang von Caldeira und Legett sowohl aus mathematischer als auch aus physikalischer Sicht einige Fragen aufwirft und wir geben eine genaue Analyse der betreffenden Problematik. Zur Klärung der Situation behandeln wir das ursprüngliche Modell mathematisch exakt unter Verwendung des Wignerformalismus und wir besprechen, warum der Grund für die darin auftretende Diffusion nicht realistisch erscheint. Anschließend geben wir zwei andere Möglichkeiten, unter sinnvolleren Bedingungen dissipative Gleichungen herzuleiten. Im abschließenden Kapitel besprechen wir, inwiefern zumindest im Bereich der Modellierung von Elektronen in harmonischen Kristallgittern der Annahme der linearen Kopplung problematisch erscheint. Ferner untersuchen wir ein wesentlich komplizierteres Modell eines offenen Quantensystems, das auf diese Annahme verzichtet. Wir beschreiben wiederum ein System bestehend aus einem Elektron und einem Reservoir, allerdings verwenden wir nun zur Beschreibung des Phononenbades den Formalismus der zweiten Quantisierung. Als wesentlichen Bestandteil der Modellierung nehmen wir an, daß das Elektron und das Reservoir nur schwach interagieren. Wie arbeiten wieder im Wignerformalismus und bilden die Spur bezüglich der Koordinaten des Reservoirs, unter der Annahme der schwachen Interaktion leiten wir asymptotisch eine kinetische Gleichung mit kompliziertem Streuterm her und weisen auf den Zusammenhang zur Barker-Ferry Gleichung hin. Schließlich führen verschiedene Skalierungen im Limes wieder zu Fokker-Planck Gleichungen.